Draagraket

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
De lancering van een Apollo-missie, met een Saturnus V-draagraket.

Een draagraket is een raket die bedoeld is om een al dan niet bemande ruimtecapsule, kunstmaan of ruimtesonde (de zogeheten nuttige lading) te lanceren, bijvoorbeeld om ze in een baan om de Aarde te brengen, en vervolgens losgekoppeld wordt. De raket zelf keert daarbij terug naar de Aarde en verbrandt meestal in de atmosfeer. De term raket wordt ook wel gebruikt voor het geheel, inclusief nuttige lading. De term draagraket wordt gebruikt om duidelijk te refereren aan de raket exclusief de nuttige lading.

De eenvoudigste draagraketten bestaan uit een enkele raket. Een draagraket met maar één rakettrap die vanaf een hemellichaam een nuttige lading in een baan om het hemellichaam brengt wordt aangeduid als single stage to orbit (ssto). Ze zijn vanaf de Aarde nooit toegepast, maar bijvoorbeeld wel vanaf de Maan. Zo'n raket kan compleet met nuttige lading de baan om het hemellichaam gaan beschrijven, of de nuttige lading wordt losgekoppeld.

Het alternatief is een meertrapsraket. Hierbij is de eerste trap als het ware een draagraket met als nuttige lading een kleinere raket. Bij een tweetrapsraket is die kleinere raket een eentrapsraket, maar door dit recursief toe te passen heeft een drietrapsraket een eerste trap met als nuttige lading een tweetrapsraket, enzovoort.

In het eenvoudigste geval wordt een rakettrap in werking gesteld na loskoppeling van de voorgaande trap. Er zijn echter varianten, zoals die waarbij de motoren van de eerste en tweede trap deels gelijktijdig functioneren. Dit was bijvoorbeeld het geval bij de Space Shuttle. De solid rocket boosters kunnen beschouwd worden als de eerste trap, en de orbiter met externe brandstoftank als tweede trap. Wegens het hergebruik van de orbiter werd alleen de brandstoftank na gebruik afgeworpen, niet de hoofdmotoren.

Zo kan men efficiënter omgaan met de beschikbare middelen dan bij een enkele raket.

Voorbeelden van draagraketten zijn de Sojoez (een Russische drietrapsraket), de Saturnus V (de Amerikaanse drietrapsraket die voor de vluchten naar de Maan werd gebruikt) en de Europese Ariane 5, een tweetrapsraket die vooral wordt gebruikt voor het lanceren van satellieten.

Air-to-orbit[bewerken]

De meeste draagraketten worden verticaal vanaf zeeniveau gelanceerd. Voor lichtere vrachten bestaan echter een aantal raketten die vanonder een vliegtuig worden gelanceerd. Deze vliegtuigen kunnen op een hoogte van zo’n 13 km komen waardoor het dichtste deel van de atmosfeer met de meeste luchtweerstand reeds is overwonnen. Ook geeft het lanceervliegtuig de raket een basissnelheid mee. Bijkomend voordeel is dat het vliegtuig zich in de juiste richting onder de beoogde baan kan positioneren waardoor de raket minder energie kwijt is aan stuurmanoeuvres. De Pegasus van Orbital ATK en LauncherOne van Virgin Orbit zijn bekende air-to-orbit-raketten.

Herbruikbaarheid van draagraketten[bewerken]

Tot 2015 waren vrijwel alle draagraketten slechts eenmalig te gebruiken. Eerste rakettrappen vielen in zee of op land. Rakettrappen die hogere snelheden halen verbranden grotendeels in de atmosfeer. Sommige upperstages blijven langdurig (soms tot tientallen jaren) in een baan om de aarde cirkelen tot de baan door zonnewind dusdanig is veranderd dat ze terug keren in de atmosfeer.

Deze “wegwerpraketten” hebben meerdere nadelen. Zo kost een enkele rakettrap vaak al tientallen miljoenen euro’s om te bouwen. Eerste trappen van raketten die vanaf het Kosmodroom Bajkonoer worden gelanceerd vallen neer op het land. In 2017 kwamen mensen om in een bosbrand die door een afgeworpen Sojoez-trap werd veroorzaakt. Ook zijn sommige van die rakettrappen zeer giftig door de restanten van de brandstof hydrazine. Dit levert gevaren voor de natuur en de volksgezondheid op.

Om de hoeveelheid ruimteschroot te beperken maken bovenste rakettrappen na het afstoten van de nuttigelading een de-orbit manoeuvre waardoor ze terugkeren in de atmosfeer en verbranden. Het komt echter zo nu en dan voor dat onderdelen van een upperstage zoals koolstofvesel tanks niet verbranden en in bewoond gebied neerkomen en schade veroorzaken.

De Amerikaanse Spaceshuttle die van 1981 tot 2011 actief was, was een uitzondering op de “normale” wegwerpraketten. Het was lange tijd het enige lanceersysteem dat grotendeels herbruikbaar was. Alleen de externe brandstoftanks bleven in de ruimte achter tot deze terugkeerden in de atmosfeer en verbranden. De Solid-Rocket-Boosters landden aan parachutes in zee en werden geborgen en opgeknapt voor hergebruik. De bemande orbiter was uitgevoerd met een hitteschild en kon zodoende terugkeer in de atmosfeer doorstaan om vervolgens als zweefvliegtuig op een landingsbaan te landen. De gedeeltelijke herbruikbaarheid had de spaceshuttle goedkoper moeten maken. Het opknappen van de solid-rocket-boosters die door zeewater werden aangetast was echter een zeer dure aangelegenheid, waardoor dit nauwelijks winst opleverde. Ook het onderhoud van de orbiters was erg duur. De herbruikbaarheid van de spaceshuttle-onderdelen pakte daardoor niet zo voordelig uit als tevoren was bedacht. Ook de op de shuttle-boosters gebaseerde eerste trap van de Ares I had herbruikbaar moeten worden. De Ares I werd echter na één testvlucht geannuleerd.

De Russische Energia, een draagraket die onder meer de Boeran (Russisch ruimteveer) in de ruimte moest brengen was ontworpen om volledig herbruikbaar te zijn. De boosters moesten aan stuurbare parachutes op land kunnen landen. De Energia werd echter na twee vluchten (in 1987 en 1988) geannuleerd en herbruikbaarheid werd niet gerealiseerd.

In de jaren 90 ontwikkelde McDonnell Douglas voor NASA de DC-X, een demonstratievoertuig voor VTOL-techniek (vertical take-off and landing) oftewel het verticaal laten opstijgen en landen. Met DC-X en de krachtiger DC-XA werd aangetoond dat dit mogelijk was.

Eind 2015 wist Blue Origin de suborbitale draagraket van de New Shepard bij de tweede lancering rechtstandig op vier uitklapbare landingspoten te laten landen. Deze zelfde raket vloog en landde daarna nog 4 maal met succes.

SpaceX begon in 2012 met de ontwikkelingen in het kader van het rechtstandig laten van eerste trappen van de Falcon 9. Daarvoor hadden ze met weinig succes geëxperimenteerd met een parachutelanding in zee en kwamen ze tot de conclusie dat dit niet de juiste manier was. SpaceX wist in 2012 en 2013 met succes twee testraketten meermaals te laten opstijgen en landen. Deze raketten haalden echter geen hoge snelheden en grote hoogtes. Na enkele mislukte pogingen gelukte het ze in december 2015 (enkele weken na Blue Origin) om een eerste trap van een Falcon 9 naar land terug naar te laten sturen en op Landing Zone 1 te laten landen. Een landing op het dek van een schip op volle zee lukte zo’n vier maanden later ook. In 2017 werden voor het eerst gebruikte Falcon 9-boosters opnieuw gelanceerd. De Falcon 9FT is maar twee maal te gebruiken door de hitte die bij terugkeer vrijkomt. Een verbeterde Falcon 9, de Falcon 9-Block-5 moet vanaf 2018 veelvoudig herbruikbaar worden en weinig onderhoud nodig hebben. In principe zou de eerste trap van deze raket binnen 48 uur na landing opnieuw gebruiksklaar moeten zijn. Het landen van een Falcon-raket gaat afhankelijk van de beoogde baan wel ten koste van 30 tot 40 procent van de maximale vrachtcapaciteit.

SpaceX werkt ook aan het herbruikbaar maken van neuskegels en tweede trappen van de Falcon Heavy en een volgende generatie volledig herbruikbare draagraketten, de Big Falcon Rocket

Blue Origin heeft inmiddels ook een orbitale heavy-lift-raket, de New Glenn met VTOL mogelijkheden voor de eerste trap in ontwikkeling.

United Launch Alliance pakt het anders aan. Zij ontwikkelen de Vulcan, een raket waarvan alleen de onderkant met de hoofdmotoren van de eerste trap, die het duurste deel vormen, geborgen en hergebruikt zal worden. Dit deel wordt na gebruik afgekoppeld van de brandstoftanks en door een opblaasbaar hitteschild tegen luchtwrijvingshitte beschermd. Na terugkeer in de atmosfeer zal deze unit aan een parachute verder afdalen om vervolgens door een helikopter met een haak uit de lucht te worden gepakt.

Boeing is op zijn beurt samen met DARPA bezig met de XS-1 Phantom Express, een licht lanceertuig waarvan de eerste trap als een hypersonisch vliegtuig terugkeert en op een landingsbaan landt. De hoofdmotor hiervan (de AR-22) is grotendeels opgebouwd uit oude reserve onderdelen van vroege versies van de RS-25 spaceshuttle motoren.[1]

Ook in China is men na de successen van SpaceX begonnen met de ontwikkeling van VTOL-raketten.